RU2167132C2 - Method of preparing composite material - Google Patents
Method of preparing composite material Download PDFInfo
- Publication number
- RU2167132C2 RU2167132C2 RU99111135/03A RU99111135A RU2167132C2 RU 2167132 C2 RU2167132 C2 RU 2167132C2 RU 99111135/03 A RU99111135/03 A RU 99111135/03A RU 99111135 A RU99111135 A RU 99111135A RU 2167132 C2 RU2167132 C2 RU 2167132C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- solvent
- matrix
- temperature
- volume
- semifinished product
- Prior art date
Links
Landscapes
- Porous Artificial Stone Or Porous Ceramic Products (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области производства широкого класса композиционных материалов и может быть использовано, в частности, при производстве углерод-углеродных композиционных материалов. The invention relates to the production of a wide class of composite materials and can be used, in particular, in the production of carbon-carbon composite materials.
Известен способ получения композиционных материалов, включающий насыщение пористой заготовки органическим соединением - связующим с последующей термообработкой (карбонизацией) полученного композита в инертной атмосфере. Насыщение обычно проводят при атмосферном или пониженном давлении и для снижения пористости до приемлемого уровня повторяют несколько раз. В некоторых случаях на одной из стадий процесса насыщение ведется под давлением с целью заполнения всех пор в армирующем каркасе матрицеобразующим веществом (MOB) ( Л.Макаллистер, У.Лакман. Многонаправленные углерод-углеродные композиты. Прикладная механика композитов. Сб. статей 1986-1988 гг., М.: Мир, 1989, с. 256). Процесс получения композиционных материалов этим способом является длительным и предполагает использование сложного и энергоемкого оборудования. A known method for producing composite materials, including saturation of the porous preform with an organic compound - a binder followed by heat treatment (carbonization) of the resulting composite in an inert atmosphere. Saturation is usually carried out at atmospheric or reduced pressure and is repeated several times to reduce porosity to an acceptable level. In some cases, at one stage of the process, saturation is carried out under pressure to fill all pores in the reinforcing cage with a matrix-forming substance (MOB) (L. McAllister, W. Luckman. Multidirectional carbon-carbon composites. Applied mechanics of composites. Collection of articles 1986-1988 years., M .: Mir, 1989, p. 256). The process of obtaining composite materials in this way is lengthy and involves the use of complex and energy-intensive equipment.
Наиболее близким к заявляемому является принятый за прототип способ получения композиционных материалов (авт. св. СССР 631501 А, опубл. 05.11.1978, С 04 В 41/46, 2 с.), включающий пропитку изделий при комнатной температуре или при нагревании растворителем (керосин и др.) углеродистого вещества, при атмосферном давлении, последующее насыщение матрицеобразующим веществом (MOB), помещая его на общую границу пористой заготовки и растворителя в замкнутом объеме. Процесс насыщения производят при температуре равной или большей, чем температура кипения растворителя с последующей термообработкой. Closest to the claimed is the prototype method of obtaining composite materials (ed. St. USSR 631501 A, publ. 05.11.1978, 04 B 41/46, 2 pp.), Including impregnation of products at room temperature or when heated with a solvent ( kerosene, etc.) of a carbonaceous substance, at atmospheric pressure, followed by saturation with a matrix-forming substance (MOB), placing it on the common border of the porous preform and the solvent in a closed volume. The saturation process is carried out at a temperature equal to or greater than the boiling point of the solvent, followed by heat treatment.
Основной и самой трудоемкой операцией в создании композиционных материалов, характерной и для прототипа, является насыщение пористых тел, содержащих большую долю малых и тупиковых пор из-за необходимости удаления газов, находящихся в порах и адсорбированных их поверхностью. С этой целью проводят либо предварительное вакуумирование насыщаемых заготовок, либо вытеснение воздуха приложением повышенного давления. Даже при низкой вязкости и хорошей смачивающей способности связующего самопроизвольное вытеснение им запертых в порах газов является проблематичным, особенно если в качестве MOB используются шликеры или суспензии. Этот процесс, как и в аналоге, предполагает использование сложного и энергоемкого оборудования. The main and most time-consuming operation in the creation of composite materials, characteristic of the prototype, is the saturation of porous bodies containing a large proportion of small and dead-end pores due to the need to remove gases in the pores and adsorbed by their surface. For this purpose, either preliminary evacuation of saturated preforms is carried out, or air is displaced by application of increased pressure. Even with a low viscosity and good wetting ability of the binder, spontaneous displacement by it of gases trapped in the pores is problematic, especially if slip or suspension are used as MOBs. This process, as in the analogue, involves the use of complex and energy-intensive equipment.
Задачей предлагаемого способа является получение композиционного материала с помощью жидких MOB, в том числе шликеров, суспензий, расположенных по всему объему заготовки независимо от характера пор в заготовке более простым и менее энергоемким способом, а также сокращение сроков получения аналогичных КМ и их ассортимента за счет различных материалов заготовок и их наполнителей и в сочетание. The objective of the proposed method is to obtain a composite material using liquid MOBs, including slurries, suspensions located throughout the volume of the workpiece, regardless of the nature of the pores in the workpiece, in a simpler and less energy-intensive way, as well as reducing the time for obtaining similar CMs and their assortment due to various workpiece materials and their fillers and in combination.
Поставленная задача решается за счет того, что в способе получения композиционного материала, включающем пропитку пористой заготовки растворителем матрицеобразующего вещества при атмосферном давлении, последующее насыщение раствором матрицеобразующего вещества, помещая его на общую границу пористой заготовки и растворителя в замкнутом объеме, при температуре, равной или большей, чем температура кипения растворителя, в предлагаемом способе насыщение раствором матрицеобразующего вещества осуществляют при атмосферном давлении и при избыточном объеме раствора. При этом объем раствора матрицеобразующего вещества в 10-15 раз больше объема растворителя, заполнившего пористое тело, а заполнение пористого тела растворителем проводят при температуре 0,5 Teν≅Т≅Teν, где Teν температура кипения растворителя. Насыщение пористого тела матрицеобразующим веществом проводят при температуре Tp>Т≥Teν, где Тp - температура полимеризации матрицеобразующего вещества.The problem is solved due to the fact that in the method of producing a composite material, comprising impregnating a porous preform with a solvent of a matrix-forming substance at atmospheric pressure, subsequent saturation with a solution of a matrix-forming substance, placing it on the common border of the porous preform and solvent in a closed volume, at a temperature equal to or greater than the boiling point of the solvent, in the proposed method, the saturation with a solution of a matrix-forming substance is carried out at atmospheric pressure and at excess solution volume. The volume of the solution of the matrix-forming substance is 10-15 times larger than the volume of the solvent filling the porous body, and the filling of the porous body with the solvent is carried out at a temperature of 0.5 T eν ≅ Т≅T eν , where T eν is the boiling point of the solvent. The porous body is saturated with a matrix-forming substance at a temperature T p > T≥T eν , where T p is the polymerization temperature of the matrix-forming substance.
Если пористое тело предварительно заполнить растворителем матрицеобразующего вещества, то хорошая смачиваемость разнородных твердых тел различными растворителями (например, керосином, спиртом) позволит быстро и гарантированно заполнить ими весь диапазон пор. Последующее перемещение пористого тела с заполненными растворителем порами в избыточный объем раствора MOB и увеличение температуры до уровня, равного или превышающего температуру кипения растворителя, позволяет в сжатые сроки осуществить усреднение концентрации MOB по всему объему пропиточной емкости и пористого тела. Высокая скорость выравнивания концентрации обеспечивается высоким уровнем коэффициента диффузии в жидкости. При температурах, близких к температуре кипения, он может достигать значений 10-1-10-2 см2/с. Таким образом, поры, прежде заполненные растворителем, через непродолжительное время будут заполнены раствором MOB практически исходной концентрации благодаря его избытку.If the porous body is pre-filled with a solvent of a matrix-forming substance, then the good wettability of dissimilar solids with various solvents (for example, kerosene, alcohol) will quickly and guaranteedly fill the entire pore range with them. The subsequent movement of the porous body with the solvent-filled pores into the excess volume of the MOB solution and increasing the temperature to a level equal to or higher than the boiling point of the solvent allows the MOB concentration to be averaged over the entire volume of the impregnation tank and the porous body in a short time. A high concentration equalization rate is ensured by a high level of diffusion coefficient in the liquid. At temperatures close to the boiling point, it can reach values of 10 -1 -10 -2 cm 2 / s. Thus, the pores, previously filled with solvent, after a short time will be filled with the MOB solution of almost the initial concentration due to its excess.
На чертеже представлена схема насыщения пористого тела. The drawing shows a saturation scheme of the porous body.
Для реализации предлагаемого изобретения берется любое пористое тело 1, которым может быть древесина, металл, керамика, металлокерамика, всевозможные спеченные порошки, тканые и войлочные материалы и т.д., и помещается в замкнутый объем, в данном случае для простоты в виде цилиндра 2. Сверху, при закрытом кране 3, пористое тело заполняется растворителем MOB до полного заполнения пор пористого тела. После окончательного заполнения всех пор излишки растворителя можно слить через кран 3 до отметки "уровень", по которой проходит граница раздела между пористым телом, заполненным растворителем, и добавленным в емкость 2 раствором MOB 4. Хорошая смачиваемость разнородных твердых тел различными растворителями (например, керосином, спиртом) позволит быстро и гарантированно заполнить ими весь диапазон пор. Избыточный объем раствора MOB в 10-15 раз больше объема растворителя в порах и увеличение температуры до уровня, равного или меньшего температуры кипения растворителя, позволяют в сжатые сроки осуществить усреднение концентрации MOB по всему объему пропиточной емкости и пористого тела. Высокая скорость выравнивания концентрации обеспечивается высоким уровнем коэффициента диффузии в жидкости. При температурах, близких к температуре кипения, он может достигать значений 10-1-10-2 см2/с. Таким образом, поры, прежде заполненные растворителем, через непродолжительное время будут заполнены раствором MOB практически исходной концентрации благодаря его избытку. В зависимости от сочетания пористого тела и MOB идет последующая обработка насыщенного пористого тела для придания ему необходимых свойств. Устройство (см. чертеж) может быть заменено простым мешком из полиэтилена или другого материала, устойчивого к растворителю и MOB.To implement the invention, any porous body 1 is taken, which may be wood, metal, ceramics, cermets, all kinds of sintered powders, woven and felt materials, etc., and is placed in a closed volume, in this case, for simplicity, in the form of a cylinder 2 On top, with the valve 3 closed, the porous body is filled with MOB solvent until the pores of the porous body are completely filled. After all pores have been completely filled, excess solvent can be drained through the tap 3 to the “level” mark, along which the interface passes between the porous body filled with solvent and MOB 4 added to the tank 2. Good wettability of dissimilar solids with various solvents (for example, kerosene , alcohol) will quickly and guaranteedly fill them the entire range of pores. The excess volume of the MOB solution is 10-15 times larger than the volume of solvent in the pores and an increase in temperature to a level equal to or lower than the boiling point of the solvent allows a short time to average the concentration of MOB over the entire volume of the impregnation tank and the porous body. A high concentration equalization rate is ensured by a high level of diffusion coefficient in the liquid. At temperatures close to the boiling point, it can reach values of 10 -1 -10 -2 cm 2 / s. Thus, the pores, previously filled with solvent, after a short time will be filled with the MOB solution of almost the initial concentration due to its excess. Depending on the combination of the porous body and the MOB, a subsequent processing of the saturated porous body takes place to give it the necessary properties. The device (see drawing) can be replaced with a simple bag made of polyethylene or other material resistant to solvent and MOB.
Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами. The invention is illustrated by the following examples.
Пример 1. Пористую заготовку углерод-углеродного композиционного материала (УУКМ) плотностью 1,30 г/см3, пористостью 35% в форме диска диаметром 150 мм, высотой 30 мм и массой 690 г поместили в цилиндрическую емкость с этанолом до полного погружения диска в этанол. Погружение диска сопровождалось бурным выделением воздуха из объема диска.Example 1. A porous preform of carbon-carbon composite material (CCCM) with a density of 1.30 g / cm 3 , porosity of 35% in the form of a disk with a diameter of 150 mm, a height of 30 mm and a mass of 690 g was placed in a cylindrical container with ethanol until the disk was completely immersed in ethanol. The immersion of the disk was accompanied by rapid release of air from the volume of the disk.
Емкость поместили в термошкаф и нагрели до 40oC (температура кипения этанола 78oC). По мере вытеснения воздуха из пор с заполнением их этиловым спиртом, хорошо смачивающим поверхность всех модификаций углерода, выделение воздушных пузырьков становится менее заметным. После выдержки при указанной выше температуре в течение 2 ч все поры углерод-углеродного диска были заполнены этанолом. Масса пропитанного спиртом диска 925 г.The container was placed in a heating cabinet and heated to 40 ° C. (ethanol boiling point 78 ° C.). As air is displaced from the pores and filled with ethanol, which moistens the surface of all carbon modifications well, the release of air bubbles becomes less noticeable. After exposure to the above temperature for 2 hours, all pores of the carbon-carbon disk were filled with ethanol. Weight of alcohol-soaked disk 925 g.
Затем емкость с диском из УУКМ, заполненным этанолом, до отметки "уровень" заполнили не менее чем 2-3 кг 55%-ного спиртового раствора фенолоформальдегидной смолы (бакелитового лака ЛБС-1), поместили в термошкаф, нагрели до 90-100oC и выдерживали при этой температуре 2 ч.Then, a container with a CCM disk filled with ethanol was filled to the level mark with at least 2-3 kg of a 55% alcohol solution of phenol-formaldehyde resin (LBS-1 bakelite varnish), placed in a heating cabinet, heated to 90-100 o C and kept at this temperature for 2 hours
В течение этого периода времени происходило активное удаление этанола из пор УУКМ ввиду его активного перемешивания с раствором связующего при указанной температуре. Имея в виду, что оценка коэффициента диффузии в растворе связующего при данной температуре не ниже 10-2 см2/с, выравнивание концентрации связующего в объеме диска и вне его произойдет через τ =x2/D=900 с = 15 мин. Однако при D=10-3 см2/с для такого выравнивания понадобится уже 2,5 ч. Поэтому продолжительность данной стадии составляла 2 ч.During this period of time, ethanol was actively removed from the pores of the CCM because of its active mixing with the binder solution at the indicated temperature. Bearing in mind that the assessment of the diffusion coefficient in the binder solution at a given temperature is not lower than 10 -2 cm 2 / s, the concentration of the binder in the disk volume and outside it will equalize in τ = x 2 / D = 900 s = 15 min. However, at D = 10 −3 cm 2 / s, this alignment will require 2.5 hours already. Therefore, the duration of this stage was 2 hours.
После остывания до комнатной температуры диск извлекли из емкости, предварительно дав стечь излишку связующего, и поместили в термошкаф для отверждения при 150oC. После отверждения масса диска790 г.After cooling to room temperature, the disk was removed from the container, after allowing the excess binder to drain, and placed in a heating cabinet for curing at 150 o C. After curing, the mass of the disk is 790 g.
Продолжительность описанной выше схемы получения композиционного материала составляет 2 рабочие смены. При этом не требуется вакуумирование и применение высоких давлений. Рабочие температуры до операции отверждения не превышали 90-100oC.The duration of the above scheme for producing composite material is 2 work shifts. It does not require evacuation and the use of high pressures. Operating temperatures before the curing operation did not exceed 90-100 o C.
Пример 2. Пористая заготовка из спеченного медного порошка пористостью 15%, плотностью 7,6 г/см3 в форме куба со стороной 40 мм, массой 485 г поместили в емкость с метанолом до полного погружения заготовки в данном растворителе.Example 2. A porous preform of sintered copper powder with a porosity of 15%, a density of 7.6 g / cm 3 in the form of a cube with a side of 40 mm, weighing 485 g was placed in a container with methanol until the workpiece was completely immersed in this solvent.
Емкость поместили в термошкаф и нагрели до 40oC (температура кипения метанола 65oC). После выдержки при указанной температуре в течение 1 ч все поры медного куба были заполнены метанолом. Масса пропитанного метиловым спиртом куба 493 г.The container was placed in a heating cabinet and heated to 40 o C (boiling point of methanol 65 o C). After holding at the indicated temperature for 1 h, all the pores of the copper cube were filled with methanol. The mass impregnated with methyl alcohol cube 493 g.
Затем емкость с медным кубом и метанолом заполнили раствором MOB, содержащим более 200 мл 55%-ного спиртового раствора фенолоформальдегидной смолы в метаноле и поместили в термошкаф, нагрели до 90-100oC и выдерживали при этой температуре 1,5 ч.Then the container with a copper cube and methanol was filled with a MOB solution containing more than 200 ml of a 55% alcohol solution of phenol-formaldehyde resin in methanol and placed in a heating cabinet, heated to 90-100 ° C and kept at this temperature for 1.5 hours.
После остывания до комнатной температуры куб извлекли из емкости, предварительно дав стечь излишку связующего, и поместили в термошкаф для отверждения при 150oC. После отверждения масса куба 490 г.After cooling to room temperature, the cube was removed from the tank, after allowing the excess binder to drain, and placed in a heating cabinet for curing at 150 o C. After curing, the cube mass is 490 g.
Пример 3. Горячепрессованная заготовка из нитридокремниевой керамики в виде облопаченного диска диаметром 150 мм, толщиной около 15 мм, пористостью 8%, плотностью 3,2 г/см3, массой 839 г поместили в емкость с толуолом до полного погружения заготовки в данном растворителе.Example 3. A hot-pressed billet of silicon nitride ceramic in the form of a blasted disk with a diameter of 150 mm, a thickness of about 15 mm, a porosity of 8%, a density of 3.2 g / cm 3 , and a mass of 839 g was placed in a toluene container until the billet was completely immersed in this solvent.
Емкость поместили в сушильный шкаф и нагрели до 60oC (температура кипения толуола 111oC). После выдержки при указанной температуре в течение 1 ч открытые (в т.ч. тупиковые) поры облопаченного диска были заполнены толуолом, о чем свидетельствует увеличение массы диска до 857 г.The container was placed in an oven and heated to 60 o C (boiling point of toluene 111 o C). After exposure at the indicated temperature for 1 h, open (including dead-end) pores of the bladed disk were filled with toluene, as evidenced by an increase in the mass of the disk to 857 g.
Затем емкость с диском, заполненным толуолом, заполнили раствором MOB в виде 1000 мл 40%-ного раствора поликарбосилана в толуоле и поместили в термошкаф, нагрели до 110oC и выдерживали при этой температуре 2 ч.Then, a container with a disk filled with toluene was filled with a MOB solution in the form of 1000 ml of a 40% solution of polycarbosilane in toluene and placed in a heating cabinet, heated to 110 ° C and kept at this temperature for 2 hours.
После остывания емкости с диском до 50oC диск извлекли из емкости, сняли чистой ветошью излишек связующего и поместили в печь для отверждения при 400oC в атмосфере инертного газа. После отверждения масса композиционного материала в виде диска составляла 851 г.After cooling the container with the disc to 50 ° C, the disk was removed from the container, the excess binder was removed with a clean rag and placed in a curing oven at 400 ° C in an inert gas atmosphere. After curing, the mass of the composite in the form of a disk was 851 g.
Продолжительность описанных выше примеров насыщения пористых тел и получения КМ составляет, как правило, не более двух рабочих смен. При этом не требуется вакуумирование и применение высоких давлений. Рабочие температуры насыщения УУКМ связующим не превышают 100-120oC.The duration of the above examples of saturation of porous bodies and obtaining CM is, as a rule, no more than two work shifts. It does not require evacuation and the use of high pressures. Working temperature saturation UUKM binder does not exceed 100-120 o C.
Способ позволяет изготавливать композиционные материалы различных размеров с различными MOB в сжатые сроки без использования дорогостоящего оборудования. The method allows to produce composite materials of various sizes with different MOB in a short time without the use of expensive equipment.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU99111135/03A RU2167132C2 (en) | 1999-05-21 | 1999-05-21 | Method of preparing composite material |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU99111135/03A RU2167132C2 (en) | 1999-05-21 | 1999-05-21 | Method of preparing composite material |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU99111135A RU99111135A (en) | 2001-03-27 |
| RU2167132C2 true RU2167132C2 (en) | 2001-05-20 |
Family
ID=20220420
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU99111135/03A RU2167132C2 (en) | 1999-05-21 | 1999-05-21 | Method of preparing composite material |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2167132C2 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2459687C2 (en) * | 2007-03-21 | 2012-08-27 | Хеганес Аб (Пабл) | Metallurgical powder metal-polymer composites |
| WO2013116378A1 (en) * | 2012-01-30 | 2013-08-08 | Firestar Engineering, Llc | Carbon-on-carbon manufacturing |
-
1999
- 1999-05-21 RU RU99111135/03A patent/RU2167132C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2459687C2 (en) * | 2007-03-21 | 2012-08-27 | Хеганес Аб (Пабл) | Metallurgical powder metal-polymer composites |
| WO2013116378A1 (en) * | 2012-01-30 | 2013-08-08 | Firestar Engineering, Llc | Carbon-on-carbon manufacturing |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11021402B2 (en) | Method of preparing carbon fiber reinforced carbon-silicon carbide composite part | |
| JP4409834B2 (en) | Method for producing carbon foam induced by process vacuum | |
| US20070032371A1 (en) | Silicon carbide based, porous structural material being heat-resistant and super-lightweight | |
| US4761272A (en) | Densified carbonaceous bodies with improved surface finishes | |
| US7544222B2 (en) | Activated, coal-based carbon foam | |
| FI94498B (en) | Process for the preparation of shaped components from mixtures of thermosetting binders and powders having the desired chemical properties | |
| CN111848176B (en) | Impregnation method of carbon fiber preform and preparation method of ceramic matrix composite material | |
| JPH01305872A (en) | Fluid permeable ceramic material based on silicon powder bonded by reaction in presence of carbon | |
| US4548957A (en) | Densified carbonaceous bodies with improved surface finishes | |
| JPH01308873A (en) | Treatment of carbon-carbon composite material using supercritical fluid technique | |
| CN110980686B (en) | Impregnation method of porous carbon material | |
| CN110041089B (en) | Carbon/ceramic friction material and preparation method thereof | |
| US20030070364A1 (en) | Carbon foam abrasives | |
| RU2167132C2 (en) | Method of preparing composite material | |
| US3235637A (en) | Process for molding polymers of halohydrocarbons | |
| US4594287A (en) | Densified carbonaceous bodies with improved surface finishes | |
| US11505500B2 (en) | Ceramic component | |
| JP6013940B2 (en) | Oil quenching heat treatment furnace tray manufacturing method and carburizing method | |
| US4503215A (en) | Furfural or furfural alchol impregnants for carbonacious bodies | |
| US4425316A (en) | Densified carbonaceous bodies with improved surface finishes | |
| JPH0432798B2 (en) | ||
| SU710931A1 (en) | Method of thickening coal-graphite articles | |
| JPH05132373A (en) | Production of porous silicon carbide composite material | |
| CN115073214A (en) | Method for preparing graphite piece oxidation-resistant coating based on silicon resin dip coating liquid precursor conversion method | |
| JP2020121890A (en) | Impregnation crucible |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20030522 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent | ||
| PC4A | Invention patent assignment |
Effective date: 20060921 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160522 |